RP-3航空煤油化学反应机理研究及其超声速燃烧仿真应用

摘要

由于具有超强动力特性，超燃冲压发动机的军事战略地位极高，基于此，世界各国近年来开展了大量超声速燃烧相关的研究工作，但超声速燃烧仿真面临着湍流与化学反应动力学的双重困难，因而航空煤油的化学反应机理研究是超声速燃烧的一个重要研究方向。
　　本文通过对国产RP-3航空煤油进行研究，明确了其主要由链烷烃、芳香烃及环烷烃构成，经论证分析，采用正十二烷替代链烷烃组分，对二甲苯或乙基苯替代芳香烃组分，三甲基环己烷或丙基环己烷替代环烷烃组分，通过排列组合，共提出了四种不同组合的RP-3航空煤油替代燃料。对于多种组分构成的替代燃料，本文采用大分子子机理加小分子核心机理的方法来构建其化学反应机理。对于已有完整化学反应机理的组分:正十二烷、对二甲苯、乙基苯、三甲基环己烷，采用相关手段提取得到了它们的大分子子机理，而丙基环己烷则是通过Gaussian计算获得了其大分子子机理，小分子核心机理采用的是比较通用的USC-Ⅱ机理。最终，与实验结果验证对比的结果表明由正十二烷、乙基苯及丙基环己烷构成的替代燃料的机理较为适用。
　　应用该机理进行超声速燃烧仿真之前，为平衡CFD仿真的计算成本，本文首先采用ReaxRed程序包对详细机理进行了DGR简化和CSP简化，得到了一个85组分346步基元反应的简化机理，然后利用主路径分析的方法对大分子子机理进行简化得到一个65组分264步反应的简化机理，再采用ReaxRed程序包对简化机理中的小分子部分进行简化，最终得到一个43组分97步基元反应的简化机理，并验证了该简化机理的适用性。
　　本文采用简化机理进行了RP-3航空煤油在双燃烧室冲压发动机内燃烧过程的研究，通过对比采用总包反应时超燃燃烧室内燃烧流场的仿真结果，表明了采用简化机理时燃烧室内的燃料燃烧放热过程更加合理。在此基础上开展了亚燃燃烧室出口燃气参数对超燃燃烧室内燃烧流场的影响研究，结果表明亚燃燃烧室出口燃气温度增加时有利于超燃燃烧室内的燃烧释热，而亚燃燃烧室出口燃气马赫数增加时，超燃燃烧室内的燃烧效果变差。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 航空煤油化学反应机理的研究进展

1．2．2 化学反应机理研究方法的研究进展

1．2．3 化学反应机理简化方法的研究进展

1．2．4 超声速燃烧的研究进展

1．3 论文的研究意义

1．4 论文的主要研究内容

2 RP-3航空煤油数值模拟替代燃料及其各组分子机理研究

2．1 RP-3航空煤油数值模拟替代燃料的组分分析

2．2 RP-3航空煤油各替代组分化学反应子机理研究

2．2．1 正十二烷化学反应子机理

2．2．2 对二甲苯化学反应子机理

2．2．3 乙基苯化学反应子机理

2．2．4 三甲基环己烷化学反应子机理

2．2．5 丙基环己烷化学反应子机理

2．3 丙基环己烷化学反应子机理的构建

2．3．1 生成C3H7S4XcC6H10的反应路径分析

2．3．2 生成S2XC3H6cC6H11的反应路径分析

2．3．3 生成C3H7S3XcC6H10的反应路径分析

2．4 本章小结

3 RP-3航空煤油数值模拟替代燃料组分间交互作用分析

3．1 RP-3航空煤油替代组分燃烧过程中的物质浓度分析

3．2 RP-3航空煤油替代组分间交互反应分析

3．2．1 CH2O与对二甲苯的反应路径分析

3．2．2 CH2O与乙基苯的反应路径分析

3．4 RP-3航空煤油化学反应机理的验证

3．5 本章小结

4 RP-3航空煤油化学反应机理的简化

4．1 基于DGR方法的机理简化

4．1 基于CSP方法的机理简化

4．2 基于主路径分析法的机理简化

4．2．1 NC12H26子机理的简化研究

4．2．2 C3H7cC6H11子机理的简化研究

4．3 简化机理验证

4．4 本章小结

5 RP-3航空煤油化学反应机理的超声速燃烧仿真应用

5．1 超声速燃烧仿真的数学模型

5．1．1 基本控制方程

5．1．2 湍流模型

5．1．3 化学反应动力学模型

5．2 超燃燃烧室的计算网格及边界条件

5．3 超燃燃烧室燃烧过程仿真研究

5．3．1 超燃燃烧室内的燃烧过程分析

5．3．2 工作参数对超燃燃烧室燃烧过程的影响研究

5．4 本章小结

6．1 全文工作总结

6．2 展望

参考文献

作者简历

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